待測(cè)介質(zhì)折射率對(duì)光纖SPR光譜的特性研究

劉超+柴雅婷+汪發(fā)美+牟海維

摘要： 為提高光纖傳感器的靈敏度和檢測(cè)精度，達(dá)到精確測(cè)量的目的?；诒砻娴入x子體共振（SPR）理論及TFCalc軟件，仿真研究光纖表面等離子體共振傳感器的反射光譜特性，考查待測(cè)介質(zhì)折射率在一定范圍內(nèi)變化對(duì)反射光譜特性的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)入射角一定時(shí)，表面等離子體共振的最佳膜厚隨待測(cè)介質(zhì)折射率的減小而減??；當(dāng)膜厚和入射角度不變時(shí)，表面等離子體共振波長(zhǎng)隨待測(cè)介質(zhì)折射率的減小向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。共振吸收峰隨待測(cè)介質(zhì)折射率的減小移動(dòng)的距離越小，且逐漸變窄，傳感器的靈敏度逐漸提高。

關(guān)鍵詞： 表面等離子體共振； 光纖； 反射率曲線(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN 253； TP 212.14文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.015

引言表面等離子體共振現(xiàn)象（surface plasmon resonance，SPR）是光與金屬相互作用的結(jié)果，是金屬表面的一種光學(xué)現(xiàn)象[1]。SPR傳感技術(shù)因其靈敏度高、待測(cè)物無(wú)需純化、可實(shí)現(xiàn)免標(biāo)記、實(shí)時(shí)和無(wú)損傷檢測(cè)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在臨床診斷、生化制藥及環(huán)境檢測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用前景[24]。影響SPR現(xiàn)象的因素有很多，除了金屬敏感膜的厚度和入射光的角度外，光纖纖芯和待測(cè)介質(zhì)折射率也是重要的影響因素。通過(guò)研究光纖纖芯和待測(cè)介質(zhì)折射率對(duì)表面等離子體共振反射光譜的影響及其變化規(guī)律，可進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度和檢測(cè)精度，從而有效地優(yōu)化傳感器，達(dá)到精確測(cè)量的目的[56]。1光纖表面等離子體共振傳感器的基本原理光纖表面等離子體共振傳感器由纖芯、敏感膜和環(huán)境介質(zhì)三層基本結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)光波從折射率大的介質(zhì)入射到折射率小的介質(zhì)中時(shí)，在兩種介質(zhì)交界面上同時(shí)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象；當(dāng)入射角超過(guò)臨界角時(shí)，將在交界面發(fā)生全反射現(xiàn)象。而在纖芯與金屬膜的界面上，會(huì)有一小部分光透入到金屬敏感膜一定深度處并呈指數(shù)衰減，這部分光波被稱(chēng)作倏逝波。其波矢量界面上的分量為：kz=ωcεcoresinθ0（1）式中，ω為光波的角頻率，c為真空中的光速，εcore為纖芯的介電常數(shù)，θ0為入射角。在金屬敏感膜與環(huán)境介質(zhì)的界面上，局限于金屬敏感膜表面上的等離子體振蕩會(huì)產(chǎn)生一種沿Z軸方向傳播并且幅度沿Z軸方向衰減的電磁波。該電磁波被稱(chēng)為表面等離子體波（surface plasmon wave），其波矢為：kspw=Reωcεmεsεm+εs（2）式中，εm為金屬敏感膜的介電常數(shù)，εs為待測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)。當(dāng)入射光沿Z軸分量的波矢與表面等離子體波沿Z軸分量的波矢相同時(shí)，入射光的能量會(huì)被表面等離子體波吸收，導(dǎo)致反射光的光強(qiáng)急劇降低。這時(shí)就產(chǎn)生了表面等離子體共振現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)就是光的能量以倏逝波的形式傳遞給了表面等離子體波[7]。

2仿真結(jié)果與討論

2.1金屬膜厚度對(duì)SPR共振光譜的影響金屬敏感膜的厚度是影響表面等離子體共振傳感器靈敏度的一個(gè)主要因素，金屬膜的厚度對(duì)反射光譜的形狀有很大的影響。圖1是入射角為79°，待測(cè)介質(zhì)折射率為1.3時(shí)，金屬膜厚度從40 nm變化到60 nm 時(shí)的反射光譜。當(dāng)Ag膜從40 nm變化到50 nm時(shí)，共振峰的位置逐漸加深；從50 nm變化到60 nm時(shí)，共振峰的位置逐漸變淺。所以，在Ag膜厚度為50 nm時(shí)，共振效果最明顯。圖2是入射角為79°，折射率為1.35時(shí)，金屬膜厚度從45 nm變化到65 nm時(shí)的反射光譜。當(dāng)Ag膜厚度從45 nm變化到55 nm時(shí)，共振峰的位置逐漸加深；從55 nm變化到65 nm時(shí)，共振峰的位置逐漸變淺。所以，在Ag膜厚度為55 nm時(shí)，共振效果最明顯。根據(jù)兩圖可以分析出，隨著Ag膜厚度的不斷增加，共振峰的位置先加深后逐漸變淺，在共振峰位置最深時(shí)是觀察到的現(xiàn)象最明顯的時(shí)刻。可見(jiàn)，Ag膜的厚度過(guò)薄或過(guò)厚都不利于激發(fā)表面等離子體共振現(xiàn)象。當(dāng)待測(cè)介質(zhì)折射率為1.3和1.35，Ag膜厚度為50 nm和55 nm時(shí)，共振峰深度相差不大，共振效果都很明顯。

2.3不同介質(zhì)折射率對(duì)SPR光譜圖的影響圖4所示是Ag膜厚度為55 nm，入射角度為79°時(shí)，不同折射率介質(zhì)的SPR光譜仿真圖。從圖中可以看出，當(dāng)待測(cè)介質(zhì)折射率從1.37減小到1.2時(shí)，諧振波長(zhǎng)與待測(cè)介質(zhì)折射率之間反射光譜逐漸向坐標(biāo)左側(cè)移動(dòng)，且變化的幅度逐漸減小。說(shuō)明諧振波長(zhǎng)隨待測(cè)介質(zhì)折射率的減小而減小，當(dāng)待測(cè)介質(zhì)折射率小于1.2時(shí)，諧振波長(zhǎng)很小，將進(jìn)入紫外范圍。共振峰深度變淺是由于金屬膜厚度為55 nm，不是該待測(cè)介質(zhì)折射率時(shí)的最佳金屬膜厚度。

2.4介質(zhì)折射率與共振波長(zhǎng)的關(guān)系圖5所示是為諧振波長(zhǎng)隨待測(cè)介質(zhì)折射率變化的曲線(xiàn)。當(dāng)待測(cè)介質(zhì)折射率從1.37減小到1.2時(shí)，諧振波長(zhǎng)的范圍從724 nm減小到420 nm，但減小的幅度越來(lái)越小。若待測(cè)介質(zhì)折射率繼續(xù)減小，諧振波長(zhǎng)將進(jìn)入紫外范圍，十分不利于測(cè)量。所以，若想測(cè)量待測(cè)介質(zhì)折射率較小的物質(zhì)，需要適當(dāng)改變金屬膜的厚度和入射角的角度，使諧振波長(zhǎng)在有利于測(cè)量的范圍之內(nèi)。

3結(jié)論本文采用TFCalc軟件仿真，研究了光纖表面等離子體共振傳感器待測(cè)介質(zhì)折射率一定時(shí)的最佳金屬膜厚度，以及待測(cè)介質(zhì)折射率變化對(duì)其反射光譜的影響。結(jié)果表明，在入射光角度不變的情況下，表面等離子體共振的最佳膜厚隨待測(cè)介質(zhì)折射率的減小而減小；在共振的最佳膜厚時(shí)，表面等離子體共振的諧振波長(zhǎng)隨待測(cè)介質(zhì)折射率的減小向短波長(zhǎng)范圍移動(dòng)，諧振峰隨待測(cè)介質(zhì)折射率的減小，移動(dòng)的距離也越小且逐漸變窄，傳感器的靈敏度逐漸提高；當(dāng)待測(cè)介質(zhì)折射率小于1.2時(shí)，諧振波長(zhǎng)將小于400 nm，給傳感檢測(cè)帶來(lái)極大困難。根據(jù)這些特點(diǎn)，在測(cè)量時(shí)可以選擇最佳膜厚和入射波長(zhǎng)，提高傳感器的檢測(cè)精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]KRETSCHMANN E，RAETHER H.Radiative decay of nonradiative surface plasmons excited by light[J].Z Naturforsch A，1968，23（12）：21352136.